KR100655417B1 - 데이터 통신에서의 가상 슬롯을 이용한 다중 접근 방식 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유무선 데이터 통신 방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 매체접근제어 방식을 개선하여 서비스 품질을 보장하고 전송 매체 자원의 효율적인 사용을 위한 매체 다중 접근 방식에 관한 것이다.

본 발명의 다중 접근 방식에 따르면 공통의 매체를 사용하는 네트워크에서 모든 사용자는 기본적으로 경쟁기반 다중접근 방식을 통하여 데이터 전송 권한을 얻을 수 있으며, 필요한 경우 부분적으로 시분할 다중접근 방식을 도입하여 일정한 크기의 시간 슬롯을 할당받아 서비스 지연시간 및 시스템 처리량 측면에서 서비스 품질을 보장 받을 수 있다.

본 발명의 특징은 서비스 품질 보장을 위한 시분할 다중접근 방식 도입 시 사용자가 보내고자 하는 데이터가 없거나 기기 오작동 등의 이유로 인해 채널 자원이 사용되지 못하는 경우 다른 사용자가 대신 사용할 수 있게 하여 채널 사용 효율을 극대화 시킬 수 있도록 하는 것이다.

다중 접근, 가상 슬롯

Description

데이터 통신에서의 가상 슬롯을 이용한 다중 접근 방식{VIRTUAL SLOT MULTIPLE ACCESS SCHEME FOR DATA COMMUNICATION}

도 1은 VSMA 방식의 기본 개념을 설명하는 도면.

도 2는 CSMA 기반의 시스템에서 VSMA를 도입한 도면.

도 3은 TDMA 기반의 시스템에서 VSMA를 도입한 도면.

도 4는 그물 형태 망에서의 다중 도약 시간 지연을 나타낸 도면.

도 5는 OFDMA 방식에서의 자원 할당 구조를 나타낸 도면.

도 6는 VSMA 동작 순서를 설명한 도면.

본 발명은 유선 및 무선 매체를 이용한 데이터 통신에서의 매체 접근 제어 방식에 관한 것으로서, 하나의 데이터 전송 매체를 다수의 사용자가 동시에 사용할 때 사용자간의 충돌을 방지하는 동시에 최대의 전송 효율을 얻을 수 있는 매체 접근 제어방식에 관한 것이다.

다중 접근(Multiple Access) 방식의 몇 가지 예를 설명하면 다음과 같다.

- CSMA/CD

기존의 유선망에서 가장 널리 쓰이는 매체 접근 제어 방식으로는 CSMA/CD(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Detection)이며, IEEE 802.3 표준에 정의되어 있다. 이 방식은 일반적으로 Ethernet이라고 불리는 표준에서 사용하는 방식으로 대부분의 유선 LAN(Local Area Network)에 사용되고 있다.

모든 사용자는 전송 매체로 데이터를 전송하기 전에 현재 전송이 진행 중인지 검사하고, 데이터의 전송이 진행 중이지 않다면 자신이 전송하는 방식으로 충돌을 방지한다.

만일 사용자의 수가 증가하여 여러 사용자가 동시에 접근하는 경우는 충돌이 발생할 수 있으며, 임의의 시간동안 백오프(Backoff) 한 뒤 다시 전송을 시도하는 방식으로 재충돌을 방지한다.

사용자의 수가 많아질수록 충돌의 수도 늘어나며, 이것은 CDMA/CD 방식을 사용하는 시스템에서 심각한 성능저하의 요인이 된다.

또한, 경쟁기반 접근방식은 사용자의 수가 많아지는 경우, 모든 사용자가 일정한 전송 품질을 계속적으로 보장받지 못하는 문제를 가가지고 있다.

- CSMA/CA (Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance)

CSMA/CD 방식은 충돌 감지를 기반으로 하는 반면 무선 매체를 통해 통신을 하는 기기들은 무선 채널의 특성상 충돌을 감지하는 것이 불가능하다.

이러한 특성을 고려하여 고안된 다중 접근 방식이 CSMA/CA이며, 직접 충돌을 감지하지 않고 타이머를 사용하여 특정 시간동안 acknowledgement가 도착하지 않으 면 충돌이 발생한 것으로 판단한다. 충돌이 발생하면 특정 범위의 시간에서 임의의 시간을 선택하여 백오프를 수행하며 연속적인 충돌이 발생할 때 마다 백오프 범위의 최대 값이 두 배씩 증가한다.

IEEE 802.11 표준에서는 CSMA/CA 다중 접근 방식의 성능을 더욱 향상시키기 위하여 RTS(Request To Send), CTS(Clear To Send)를 사용한다. RTS, CTS는 연속적인 패킷을 전송하기 전에 미리 RTS, CTS 교환을 통해 채널을 예약하는 방식으로 충돌을 미연에 방지한다.

- TDMA (Time Division Multiple Access)

TDMA 방식은 모든 사용자에게 일정한 기간의 시간 슬롯을 할당하여 그 시간동안만 전송 매체를 사용할 수 있도록 허락한다.

TDMA 방식의 장점은 각 사용자에게 일정한 주기로 일정한 시간의 매체 사용 기회를 주기 때문에 서비스 품질(Quality of Service) 및 채널 사용 공평성(Fairness)을 보장한다는 것이다.

그러나, TDMA 방식의 특성상 한번 사용자에게 할당된 시간 슬롯은 쉽게 변경할 수 없기 때문에 전송할 데이터가 없는 경우는 할당된 시간 슬롯이 낭비되는 단점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 보낼 데이터가 있을 때만 시간 슬롯을 할당받고 전송이 끝나면 해제하는 방법을 사용하거나, 필요한 크기의 시간슬롯을 매 주기마다 변경하는 방법을 사용할 수 있으나, 이러한 방식은 부가적인 제어 패킷을 빈번히 전송해야하는 오버헤드가 존재하여 전체적인 시스템 성능을 떨어뜨릴 수 있다.

- (Hybrid) CSMA+TDMA

다양한 형태의 트래픽에 대하여 최대의 매체 사용 효율성을 위해서는 전송하는 패킷의 종류와 성격에 따라 적절한 다중 접근 방식을 혼합하여 사용하는 것이 효과적이다.

이에 IEEE 802.15.3 표준 및 IEEE 802.15.4 표준에서는 간단한 제어 패킷은 CSMA/CA를 사용하여 보내고 지속적인 데이터 트래픽에 대해서는 TDMA를 사용하여 전송하도록 지정하고 있다.

또한, HiperLAN/2 표준에서는 데이터 트래픽은 TDMA를 사용하나 제어 패킷은 slotted-ALOHA를 사용하여 짧은 패킷에 할당되는 매체 사용 시간을 최소화시켜 데이터 트래픽의 매체 사용 시간을 최대화 하였다.

이러한 형태의 다중 접근 방식의 혼합은 시간을 구분하여 특정 시간에는 특정 다중 접근 방식만을 사용하도록 하여 하나의 표준에서 두 가지 이상의 다중 접근 방식을 사용한다는데 그 의미를 가진다.

- OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

4세대 이동통신 시스템에서 요구하는 고속 데이터 전송 및 서비스 품질(Quality of Service)을 만족시키기 위해서는 무선 채널의 높은 스펙트럼 효율을 필요로하며 이러한 요구를 충족시키기 위한 다중 접근 방식으로 OFDMA 방식이 고려되고 있다.

OFDMA 방식은 전체 주파수 대역을 부반송파로 나누어 전송하는 OFDM 특성을 이용한 다중 접근 방식으로 셀 내 간섭이 없고 주파수 재사용 효율이 높으며 적응적인 변조 방식의 적용이 쉽다. 또한, 시간 단위의 자원 할당뿐만 아니라 부반송파 단위의 자원할당이 가능하므로 자원 할당을 보다 효율적으로 할 수 있는 장점이 있다.

현재 OFDMA 기술은 MAN(Metropolitan Area Network)을 위한 IEEE 802.16 표준 기술로 채택되었다.

본 발명의 목적은, 사용자에게 가상슬롯을 할당하여 일정한 서비스 품질을 계속적으로 보장하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 가상슬롯의 소유자가 매체를 사용하지 않더라도 다른 사용자가 해당 시간 슬롯을 사용할 수 있도록 하여 채널 사용 효율을 높이는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 시분할 다중 접근 방식과 경쟁 기반 다중 접근 방식을 융합하여 시분할 다중 접근 방식에 접근의 유연성을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 전송 매체를 사용하기 위해 기다리는 시간을 줄여 데이터의 전송에서의 짧은 시간지연을 가지도록 하는데 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 다중 접근 방식은 기본적으로는 CSMA 방식을 기반으로 동작하지만 필요에 의해 TDMA에서 사용하는 시간슬롯의 효과를 내는 가상슬롯을 사용하여 서비스 품질을 보장받을 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 TDMA의 시간슬롯은 아니지만 그와 유사한 가상슬롯을 사용하는 새로운 다중 접근 방식을 도입함으로써, 다중 접근 방식의 차원에서 서비스 품질 보장, 시스템 처리량 증가, 매체 사용 효율 증가 등의 성능 향상을 기대한다.

도 1과 도 6은 본 발명에 따른 다중 접근 방식의 기본 개념을 설명하는 도면이다.

모든 사용자는 전송할 데이터를 가지고 있는 경우 자신에게 가상슬롯이 할당되어 있는지 여부를 검사한다(S100)(S110).

현재 가상슬롯이 자신에게 할당된 것이라면 가상슬롯이 시작되기를 기다린 후 VIFS(Virtual Slot Inter-Frame Space) 동안 기다릴 필요 없이 즉시 데이터를 전송한다(S120)(S130).

반면, 현재 가상슬롯이 자신의 슬롯이 아니라면, 가상슬롯이 시작되기를 기다린 후 VIFS (Virtual Slot Inter-Frame Space) 동안 기다리고 경쟁을 통해 매체 사용 권한을 획득할 수 있다. 이때 사용되는 경쟁 방식은 CSMA/CA에서 사용하는 경쟁 방식과 동일하다. 즉, CSMA(Carrier Sensing Multiple Access) 방식과 같이 매체를 사용하기 전에 타이머를 사용하여 응답의 도착여부를 이용해 매체가 다른 사 용자에 의해 사용되고 있는지 검사한다(S130)(S140)(S150).

이 방식은 특정 사용자에게 할당된 가상슬롯이 그 사용자에 의해 사용되지 않더라도 다른 사용자가 쉽게 경쟁을 통하여 사용할 수 있도록 하여 매체가 낭비되는 현상을 방지한다. 즉, VSMA(Virtual Slot Multiple Access)는 최소의 오버헤드를 통해 매체가 낭비되는 현상을 방지하여 최대의 매체 사용 효율을 달성하는 것이다.

가상슬롯 기간이 아닌 경우에는 매체가 IDLE 상태인지 여부에 따라 데이터를 전송하거나 일정시간 백오프(Backoff)한 후 다시 데이터 전송 시도를 한다(S130)(S160)(S170).

즉, 가상슬롯이 할당되지 않은 경우에는 CSMA와 동일한 방식으로 매체에 접근한다. 일단 가상슬롯이 특정 사용자에게 할당이 되면 다른 모든 사용자들은 주기적으로 기지국에 의해 방송되는 정보를 통해 가상슬롯의 할당 정보를 알게 된다.

가상슬롯 구간이 시작되면 가상슬롯의 소유자는 전송하고자하는 데이터가 있는 경우, 즉시 매체에 접근하여 전송을 시작한다. 만일 슬롯의 소유자가 매체를 사용하지 않는 경우, 다른 사용자들은 VIFS 동안 기다린 후 경쟁을 통해 매체 사용 권한을 획득한다.

VSMA 방식은 기본 개념을 바탕으로 응용에 따라 다양한 형태로 적용될 수 있다.

첫 번째는 도 2에 나타난 것처럼 CSMA 기반의 시스템에서 서비스 품질 (Quality of Service) 보장의 목적으로 사용될 수 있으며, 이 경우 최소의 오버헤드로 TDMA와 같은 성능을 낼 수 있는 장점이 있다.

기본적으로 CSMA 방식을 사용하는 경쟁기반 접근 구간과 TDMA 방식을 사용하는 비경쟁기반 접근 구간으로 나누어지며 가상슬롯 방식은 비경쟁기반 접근 구간에 사용될 수 있다.

TDMA 시간슬롯은 할당받은 사용자에 의해서만 사용될 수 있지만 가상슬롯은 할당받은 사용자가 사용하지 않는 경우 다른 사용자에 의해 사용될 수 있으므로 TDMA와 비교하여 더 나은 성능을 나타낼 수 있다.

CSMA 기반의 VSMA 방식의 경우는 가상슬롯의 경계를 엄격하게 지키지 않는 전략을 사용한다.

이는 가상슬롯의 재사용이 발생하는 경우 남아있는 가상슬롯의 길이가 보내고자하는 데이터 프레임의 길이의 배수로 맞아 떨어지지 않는 경우 일부의 가상슬롯 시간이 사용되지 않는 문제점을 극복하기 위한 것으로 다음 가상슬롯의 시간을 일부 침범하여 데이터 프레임을 전송할 수 있도록 하는 방식이다.

자신의 가상슬롯 시간이 침범당한 소유자는 침범한 데이터 프레임의 전송이 끝나자마자 경쟁 없이 바로 데이터를 전송할 수 있으므로 전체적인 서비스 품질 보장에 큰 영향을 미치지는 않는다.

이러한 방식은 가상슬롯에 여러 개의 데이터 프레임이 전송되는 구조를 가정할 때 가능하다. 이러한 구조의 매체 접근 제어 기술을 사용하는 시스템은 저속, 저전력 근거리 무선 통신 기술인 IEEE 802.15.4와 고속, 멀티미디어 근거리 무선 통신 기술인 IEEE 802.15.3이 있으며 가상슬롯 기반 다중접근 방식을 도입하는 경우 큰 성능향상을 나타낼 수 있다.

두 번째는 도 3에 나타난 것처럼 TDMA 기반의 시스템에서 가상슬롯을 도입하여 매체 사용 효율을 높일 수 있다. 모든 사용자에게 필요한 크기의 가상슬롯을 할당하여 최소의 서비스 품질을 보장할 수 있도록 하고 사용자가 할당된 가상슬롯을 사용하지 않는 경우 다른 사용자가 대신 사용하는 과정을 통해 시스템 처리량을 증가시키고 전송 시간 지연을 줄일 수 있다.

일반적으로 최소의 서비스 품질 보장이 중요한 실시간 멀티미디어 데이터 전송에 대해서는 충분한 가상슬롯을 할당하되 웹 검색이나 파일 전송과 같은 Best effort 트래픽 전송에 대해서는 최소의 가상슬롯을 할당하고 사용되지 않은 가상슬롯을 재사용하여 최대의 성능을 얻을 수 있도록 한다.

이러한 방식은 실시간 멀티미디어 데이터 전송을 서비스 품질을 보장하는 동시에 비실시간 데이터 전송에서의 최대 성능을 보장할 수 있는 장점이 있다.

세 번째는 도 4와 같은 그물 형태의 망구조에서 다중 도약 (Multi-hop) 데이터 전송에 있어서 전송 지연 시간을 크게 줄일 수 있다.

데이터를 발생한 사용자에서부터 데이터가 도착하는 도착지 까지 여러번에 걸친 전달이 연속적으로 이루어지며 이때 각 전달마다 수신측의 시간슬롯 동기를 맞추어 전달해야 하므로 시간 지연이 누적되어 도약 수가 증가할수록 지연이 극심 하게 된다.

이러한 시간 지연을 줄이기 위해서는 데이터 전달 시 수신측이 깨어날 때 까지 기다리기 보다는 가상슬롯의 재사용 특성을 이용하여 수신측이 깨어나 동기가 일치하는 경우 다른 사용자의 가상슬롯을 이용해 데이터를 전달함으로써 다중 도약 전달 시 시간지연을 크게 줄일 수 있다.

다만, 가상슬롯의 재사용은 가상슬롯의 소유자가 사용하지 않은 경우만 가능하며 그렇게 않은 경우는 재사용 이득을 얻을 수 없다.

네 번째는 도 5에서 보는 바와 같이 OFDMA를 사용하는 시스템에서 가상슬롯 기반의 다중접근 방식을 적용할 수 있다.

IEEE 802.16 표준 기술에서는 부반송파와 시간 단위로 자원을 할당하므로 가상슬롯의 개념이 부반송파의 단위가 추가되어 확장된 형태가 된다.

먼저, 부반송파가 할당된 경우 할당된 부반송파를 이용하여 데이터를 전송한다.

그러나, 부반송파가 할당되지 않은 경우 경쟁을 통해 부반송파를 할당받아 데이터를 전송한다.

구체적으로, 상술한 가상슬롯 개념의 부반송파를 재사용하기 위해서는 전체 대역의 신호를 수신하여 특정 부반송파가 사용되는지 먼저 검사할 필요가 있다. 따라서 전체 대역의 신호를 OFDM 심볼 길이만큼 수신한 후 FFT (Fast Fourier Transform) 과정을 통해 사용되지 않는 부반송파를 찾아낸 후 경쟁을 통해 해당 가 상슬롯에 접근한다.

이때 사용되는 경쟁 과정은 OFDM 변조의 특성을 고려하여 일반적인 CSMA/CA 방식에서 사용하는 경쟁방식과 다른 확률에 기반을 둔 경쟁 방식이 사용된다.

즉, 사용되지 않는 부반송파를 찾아내면 백오프(Backoff)하지 않고 특정 확률로 매체에 접근하여 데이터를 전송한다. 확률에 의한 접근 방식을 사용하는 이유는 OFDM의 특성상 심볼 단위의 백오프가 불가피한데 심볼의 길이가 상대적으로 크기 때문에 CSMA/CA 방식의 경쟁은 경쟁을 위해 많은 심볼 구간이 낭비되기 때문이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 유무선 데이터 전송 시스템에서 VSMA 방식을 사용하는 경우 가상의 슬롯을 도입하여 다양한 방면에서의 이득을 얻을 수 있다.

첫 번째는 CSMA 기반의 시스템에서 서비스 품질(QoS)을 보장할 수 있다. 기본적으로 VSMA는 CSMA를 기반으로 하면서도 가상의 슬롯을 오버헤드를 최소화시켜 생성함으로써 특정 사용자에게 일정하게 보장되는 매체 접근 기회를 제공한다. 이러한 특징은 기존 CSMA에서 문제가 되었던 사용자의 수가 증가하는 경우 서비스 품질이 급격히 떨어지는 현상을 방지할 수 있으며 비디오 스트림이나 실시간 오디오와 같은 멀티미디어 트래픽 전송을 가능하게 한다.

두 번째는 시스템 처리량을 증가시킬 수 있다. VSMA에서 사용하는 가상슬롯은 그 소유자가 가상슬롯을 사용하지 않더라도 다른 사용자가 자연스럽게 경쟁을 통해 접근할 수 있으므로 매체가 사용되지 않고 낭비되는 현상을 방지한다. 이러한 특성은 가상슬롯의 소유자가 생성하는 트래픽에 따라 성능 향상의 정도가 다를 수 있으며, 비주기적인 특성을 가지는 트래픽일수록 소유자에 의해 사용되지 않는 가상슬롯의 수가 많아지므로 가상슬롯의 이득이 더 증가되는 특징이 있다.

세 번째는 가상슬롯을 이용하여 데이터 전송 시간 지연을 줄일 수 있다. 가상슬롯의 소유자에 의해 사용되지 않는 가상슬롯을 다른 사용자가 사용하게 될 때 자신의 가상슬롯이 시작되기 전에 데이터를 전송할 수 있으므로 전체적인 데이터 전송 지연 시간이 줄어든다. 이는 큐(Queue)에 쌓이는 데이터가 보다 빠른 시간에 매체를 통해 전송되는 것을 의미하므로 링크 계층에서의 큐 지연시간(Queuing Delay)을 단축시키는 것을 의미한다.

Claims (9)

1. 데이터를 전송할 수 있는 슬롯을 가지고 있는지 여부를 판단하는 단계와,

   슬롯이 할당된 경우 슬롯 구간이 시작됨에 따라 데이터를 전송하는 단계와,

   슬롯이 할당되지 않은 경우 슬롯 구간이 시작되고 일정 기간을 기다린 후 경쟁을 통해 사용권한을 획득하여 데이터를 전송하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 경쟁을 통한 사용권한의 획득은 타이머를 사용하여 충돌 감지를 기반으로 한 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 슬롯은 사용권한이 할당된 경우 슬롯의 시작과 동시에 데이터 전송이 가능하고, 사용권한이 할당되지 않은 경우 사용권한이 가진 사용자의 데이터 전송이 끝난 후 경쟁을 통해 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 경쟁을 통해 사용권한을 획득하지 못한 경우 일정 시간 백오프 한 후 다시 경쟁하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
5. 제1구간에서 경쟁을 통해 사용권한을 획득하여 데이터를 전송하는 단계와,

   제2구간에서 데이터를 전송할 수 있는 슬롯을 가지고 있는지 여부에 따라 슬롯이 할당된 경우 슬롯 구간이 시작됨에 따라 데이터를 전송하고, 슬롯이 할당되지 않은 경우 슬롯 구간이 시작되고 일정 기간을 기다린 후 사용권한을 가진 사용자가 슬롯을 사용하지 않는 경우 경쟁을 통해 사용권한을 획득하여 데이터를 전송하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제1구간은 CSMA 방식을 사용하는 경쟁 기반 접근 구간인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
7. 모든 사용자에게 데이터를 전송할 수 있는 슬롯을 할당하여 데이터가 전송되는 단계와,

   슬롯 구간이 시작되고 일정 기간을 기다린 후 사용권한을 가진 사용자가 슬롯을 사용하지 않는 경우 경쟁을 통해 사용권한을 획득하여 데이터가 전송되는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 다중 도약 데이터 전송에 있어서,

   수신측의 시간 슬롯 동기를 판단하는 단계와,

   수신측의 시간 슬롯 동기와 일치하고 슬롯이 할당된 경우, 슬롯 구간이 시작됨에 따라 데이터를 전송하는 단계와,

   수신측의 시간 슬롯 동기와 일치하나 슬롯이 할당되지 않은 경우, 슬롯 구간이 시작되고 일정 기간을 기다린 후 사용권한을 가진 사용자가 슬롯을 사용하지 않는 경우 경쟁을 통해 사용권한을 획득하여 데이터를 전송하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
9. OFDMA를 사용하는 시스템에 있어서,

   부반송파가 할당된 경우 할당된 부반송파를 통해 데이터를 전송하는 단계와,

   부반송파가 할당되지 않은 경우 전체 대역의 신호를 수신하여 특정 부반송파가 사용되는지 여부를 판단하는 단계와,

   특정 부반송파가 사용되지 않는 경우 특정 확률로 매체에 접근하여 사용권한을 획득하여 데이터를 전송하는 단계가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

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